はじめに
粘弾性材料が変形するとき、それらは3次元の変形を受け、それは(3x3)テンソルによって記述することができる（図1参照）。
このテンソルには3つの法線応力、σxx、σyy、σzzが含まれる。他の6つのテンソルはせん断応力である。粘性挙動が支配的な場合（すなわち、流体が流動する場合）、せん断応力成分は1つだけであり、他の成分は無視できます。
最初の法線応力差は次のように定義できます：
ここで、σxxはせん断が加えられた方向に作用する応力であり、σyyは法線方向に作用する応力である。レオロジー実験では、形状とベアリングにかかる上向きの力が法線力（軸方向）になります。通常、法線応力の差はせん断応力よりもせん断速度に依存し、せん断速度の増加に伴って大きく増加します。
N1に加えて、粘度と等価な粘弾性とみなすことができる第一法線応力係数も定義することができ、これは次式に従ってせん断速度ýに依存する。
法線応力の差は非線形効果と関連しており、流動条件下で基礎となる微細構造が異方性を持つようになった結果です。ワイセンベルグ効果や「ロッドクライミング」効果、「ダイスウェル」効果や「押出後のうねり」効果などの通常のレオロジー効果。
large ポリマーメルト、溶液、界面活性剤系、エマルションなど、さまざまな製品に応力が発生する可能性があります。大半の場合、法線応力は正の値ですが、ラメラゲルなどでは負の値も報告されています。
最初の法線応力差を正しく測定するために使用する最良の形状は、コーンおよびプレート形状です。これは、試料全体で一貫したせん断速度が得られ、上向きのスラストはN1のみによるものだからです。
実験的
- ボディソープの非線形粘弾性挙動を評価した。
- 回転レオメーター測定は、ペルチェプレートカートリッジとコーンプレート測定システム1を備えたKinexusレオメーターを使用し、rSpace ソフトウェアにあらかじめ設定された標準シーケンスを用いて行いました。
- 両試料が一貫して制御可能な負荷プロトコルに従うよう、標準負荷シーケンスを使用した。
- レオロジー測定はすべて25℃で行った。
- 流動曲線は、0.1～1000s-1のせん断速度試験の平衡表を使用して作成し、法線力を決定した。
結果と考察
図2は、ボディソープの粘度-せん断速度曲線である。この製品は、低せん断速度ではニュートン流体挙動を示し、臨界せん断速度を超えると粘度が急激に低下することから、せん断減粘性液体に分類される。この臨界せん断速度以上では、変形する微細構造の張力による非線形粘弾性挙動に起因する法線力の明らかな上昇も見られる。
このことは、図3のようにせん断応力と法線応力を直接比較するとより明らかである。これは、せん断応力が一定になる時点で、法線応力がせん断応力を上回っていることを示している。これは弾性支配的な流動挙動に相当し、界面活性剤で構造化されたボディソープが、使用時に「高弾性」で「糸を引く」ように見える理由を説明している。最終的に、この弾性支配的な挙動は、高いせん断速度での流れの不安定性につながり、試料は測定ギャップから上昇する。
図 4 は、せん断粘度と並んでプロットされた第 1 法線応力係数ψ1を示しています。2つの係数は似たような形状を示しますが、ψ1はý[1]に比例するため、この場合はηよりも低く、より急な勾配を示します。粘弾性材料の粘度だけでなくψ1またはN1を比較することは、特に材料が高度に粘弾性であり、その材料が使用される用途またはプロセスが流線に張力を発生させる可能性が高い場合に有用です。
結論
非ニュートン流体の非線形粘弾性挙動は、コーンプレート測定システムを用いて、せん断速度の関数として法線力を測定することによって決定することができる。また、せん断応力およびせん断粘度にそれぞれ相当する第一法線応力差および第一法線応力係数を計算することもできる。
1テストはコーンプレート測定システムで行ってください。